医学物理学课题研究模版.doc

标题 流体力学与血液 专业年级： 组长学号、姓名、工作： 组员学号、姓名、工作： 例：20091140203 高启钧 （***方向文献检索、***知识点资料整理、内容整合） 说明：组长除了***方向文献检索、***知识点资料整理、内容整合之外还应负责统筹安排分工。 摘要： 本报告首先介绍基础物理流体力学与血球、血液、血管基本知识，接着深入讲解血液粘滞与钱串等由物理因素引起的血液性质，并介绍物理切应力改变对于内皮细胞的影响，并带出血栓、凝血机制，动脉硬化等病变，结合物理因素引起的化学改变作用于生物体的结果，最后为治疗动脉硬化的方法(含药物治疗与手术治疗)。 前言： 血液循环在人体中占有重要的角色，可以把新陈代谢所需的氧气和营养物质输送之组织，并把代谢产生的废物从组织中回收，具有交换和运输的作用，经由血液不停循环流动，才使组织、细胞维持正常功能，使人体内环境保持相对稳定。血液在血管内的流动符合流体力学，藉由流体力学的分析显示出血液独特的液体特性，再由此切入探讨诸多相关疾病，并研究根本的治疗预防方式，改善目前广为流行的血液相关病变。 一、相关的物理理论知识点： Ⅰ. 流体力学基本物理公式介绍 血液中相关的力血液中相关的力量 A垂直管壁的压力pressure B管壁细胞抵抗撕裂的张力tensile stress C平行管壁的剪应力shear stress 这一次我们讨论作用在血管内皮细胞上的力主要是剪应力 剪应力 SHEAR STRESS: 如果一个切线力P作用在如上图的平面顶端，它会使得此平面以一个相对于下方平面的速度u移动。和上方平面相连接的流体将会以和平面一样的速度移动（即‘no- slip’ condition）同样的紧邻下方的流体也相同于下方平面的速度，此时它和下方平面一样，是静止的。所以一个速度梯度即产生了，就如上图所示。我们将此切线力和它作用的平面的比值定义为剪应力，shear stress。而速度梯度即为u/h，h指的是上下平面的距离；速度梯度也就是剪应率（rate of shear）。一般说来，剪应率是被定义为du/dy，y如上图所示，指的是和作用力P方向的垂直距离。粘滞系数定义为剪应力和剪应率的关系， 其关系式如下: τ是剪应力，μ是粘滞系数，r为剪应率。 我们将剪应力及剪应率得这个关系式对各个流体做图，可得以下这个图: 图中有各式各样的流体，让我们来看看图中这从原点出发，并呈一直线的流体。这样的流体我们定义为牛顿流体。牛顿流体的剪应力对剪应率的比值恒为一定值。图中的斜率即代表所谓的粘滞系数，故牛顿流体的粘滞性是固定的，反之亦然。但是大多数的流体皆不是牛顿流体，亦即它们的粘滞性是会改变的，这些流体归类为非牛顿流体，如上图所示的其他流体皆是。他们的剪应力对剪应率的比值称为apparent viscosity，它并不是一个常数，会随情况而变。 2.流体性质 A 连续方程式 B 白努利方程式 C Poiseuille’s Law D 血流阻力 E 层流和乱流 A 连续方程式: 对于一般的流体，我们通常把此流体视为是不可压缩的，换言之即这个流体的密度将保持固定，所以这流体的质量对体积的时变率为零。根据这样的前提，流进一平面的流体和流出另一平面的流体的质量是一定的，又流体的密度是保持固定，所以我们可以得到以下的式子： A1 v1 = A2 v2 = Q (constant) A表截面积，v表流速，本来两边还要各乘一个密度，由于密度一样故略之。 此定理在生理上的意义显示，在流量固定的情形之下，管径越大的血管其血流速越慢。然而，同种血管在人体中其实是维持并连的关系，以确保其中血流特性的一致，因此，在计算血管截面积时，必须以总面积做为准。这也就是为何单一截面积最小，但是总截面积却最大的微血管拥有最慢的流速，此一特性有助于人体间物质的微循环和交换。 B 白努利方程式 P1 [Pa], V1 [m/s], 和 z1 [m] 是指在一处的压力速度及高度，而P2, V2, 和 z2 分指另一处的压力速度高度.。当我们的流体符合1.不可压缩流2.稳定流3.无粘滞性4.沿着同一流线时，此式成立。白努利方程式的内涵为流体内的任两点力学能为固定，力学能包含位能以及动能，假设无热能散失，则流体的流动其总能不变，只是位能转成动能，动能转成位能这样的形式变化，力学能是不变的。 另外当流体是在同一水平面上流动时，式子中的高度差则变为0，所以可以得到一点的流速越快，其压力就越小这样的关系。 C Poiseuille’s Law 考虑一在管中流动的液体如下（此流体需为牛顿液体、层流，且管壁不具弹性）: 将此公式带入血液的流动，则可以发现血流量会与压力差与血管半径的四次方成正比、而与血液的粘滞度与血管长度成反比。对人体生理而言，血液